淺談PCB的信號完整性設計分析

李帥

【摘要】? ? 信號完整性設計是PCB設計中的重要組成部分，其設計質量直接關系著PCB設計整體效果，決定PCB生產與應用質量。基于此，本文以PCB信號完整性設計為研究對象，簡要分析了PCB信號完整性設計的必要性、PCB信號完整性的內涵以及PCB信號完整性的設計方法。

【關鍵詞】? ? PCB設計? ? 信號完整性

引言：

在電子科學技術創新發展與推廣應用下，電子設備呈現出多類型、多功能、輕質量、小型化、精細化、自動化發展態勢，并廣泛應用于人們日常生產、生活與學習中。隨著電子設備及其應用的高速發展，PCB設計的重要性不斷提升。如何改善PCB信號完整性問題，提升PCB設計質量與應用效果成為人們關注的重點問題。

一、PCB的信號完整性設計的必要性分析

PCB（Printed Circuit Board，印制線路板/印刷電路板/印制板）是電子設備、電子系統中的重要構成部件，承擔著電子元器件電氣連接的重要使命。能夠實現電子元器件自動檢測、自動貼裝，在保證電氣設備生產與應用質量的同時，節約電子設備生產成本，提升電子設備管理效率。隨著近些年我國電子科學技術的創新發展，電子設備呈現出多類型、多功能、輕質量、小型化、精細化、自動化發展態勢，并廣泛應用于人們日常生產、生活與學習中。在此背景下，PCB制造趨向高密度、高精度、高速度、輕質量、小型化、細導線、細間距等方向發展，對PCB設計提出了更高要求。而隨著PCB制造的“高”、“精”、“細”、“輕”、“快”發展，PCB的信號完整性（PCB信號線的信號傳輸質量）問題日漸顯著，信號反射、信號串擾、信號過沖與下沖、振鈴、地彈等現象頻發，成為影響PCB制造質量，制約電子產品創新發展的核心要素。

二、PCB的信號完整性設計內涵分析

信號完整性是指電路系統中信號的質量能夠不失真地從源端傳送到接收端。信號快速的跳變（上升沿與下降沿）引發了信號傳輸的非預期效果，這也是信號完整性問題的根源所在。在PCB設計過程中，信號完整性問題是一個綜合性問題，導致PCB信號完整性的因素有很多，主要包括信號的反射、信號的串擾、電源和地分配中的軌道塌陷以及來自系統的電磁干擾和輻射等四個方面。對此，要想改善PCB的信號完整性問題，需要在PCB設計之初就做好信號完整性問題的綜合分析工作，在PCB設計全過程中滲透改善信號完整性的措施，最終實現對PCB信號完整性的科學控制。

三、PCB的信號完整性設計方法分析

（一）就信號反射而言，信號在傳輸過程中，每時每刻都會感受到一個瞬態阻抗，當信號所感受到的瞬態阻抗相一致時，信號順利傳輸;當信號所感受到的瞬態阻抗產生變化時則會發生信號反射。反射會造成信號過沖、振鈴、邊沿遲緩等問題。衡量信號反射的重要指標是反射系數，表示反射信號與入射信號幅值之比，其大小為：ρ= （Z2-Z1）/（Z2+Z1）， Z1是第一個區域的特性阻抗，Z2是第二個區域的特性阻抗。反射是經常遇到的信號完整性問題，我們只能無限地縮小它，卻不能完全消除它。在PCB設計過程中，我們可以通過調整布線拓撲結構、控制走線阻抗以及對信號線進行匹配等方法進行處理。

（二）信號的串擾是指信號在傳輸線路上傳輸時，由于電磁耦合而對相鄰的傳輸線產生影響的現象。串擾一般通過兩種途徑：電容耦合和電感耦合。串擾不是來自于外部的噪聲，而是由內部傳輸線之間的電磁效應引起的。解決串擾問題的方式主要有增加走線間距、進行端接匹配、相鄰層走線相互交叉、保證信號線有良好的回流路徑、對重要信號線進行包地處理等方式。

（三）軌道塌陷是指當通過電源和地路徑的電流發生變化時，在電源路徑和地路徑間的阻抗上將產生一個壓降，可以看做是電源與地間的電壓減小或塌陷。軌道塌陷噪聲主要是電源分配網絡問題。解決方法：電源和地平面之間放置去耦電容;電源和地之間的連接線盡可能地短和寬;電源層和地層盡可能的靠近放置;盡可能地讓返回電流靠近信號電流。

（四）EMI有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是通過導電介質把信號耦合到另一根信號線上，輻射干擾則是通過空間耦合的方式。高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為干擾源，發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。解決方法：對特殊器件如高頻、模擬、敏感等器件進行合理放置;合理劃分PCB的模擬、數字等區域;處理好電源和地的布線;采用合理的接地方式等。

結論：PCB的信號完整性決定著PCB信號傳輸質量，隨著PCB高密度、高集成、輕質量發展，PCB的信號完整性問題日漸顯著，成為影響PCB研發與應用的核心要素。對此，在PCB設計研發與生產制造過程中，應明確認識PCB的信號完整性問題，掌握PCB的信號完整性設計方法，提升PCB的信號完整性設計質量，為電子產品創新與應用提供保障。

參? 考? 文? 獻

[1]陳放，田建宇，孫兆牛，等.基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協同仿真方法研究[J].航天控制，2017，35（04）：90-94.